Determination of thermodynamic characteristics of chlorination of natural raw materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The thermodynamic analysis of chlorination of the mineral part of the overburden carbonaceous rock of the Ekibastuz deposit (a natural multicomponent raw material) is of theoretical and practical interest. The nature of the change in the Gibbs energy value under the given conditions makes it possible to establish the fundamental possibility of the reaction. The assessment of the feasibility of each reaction is determined not only by the thermodynamic factor, but also by the rate of reaching equilibrium and the reaction rate. The calculated Gibbs energy and equilibrium constants characterizing the yield of the final reaction products in the temperature range of 400–2000 K show that in the presence of a reducing agent, the equilibrium of reactions is shifted towards the formation of chlorides. The effect of the reducing agent in the process of chlorination of oxide compounds is reduced to the binding of oxygen to form oxygen compounds of carbon. Thermodynamic analysis of systems (I–VII) showed that at a certain ratio of the initial components of the chlorination reaction at temperatures of 1000–1200 K passes through to the end with the formation of compounds in the gas and condensed phases, this is confirmed by the conducted research. Thermodynamic analysis of systems (I–VII) showed that a model based on theoretical calculations of the equilibrium compositions of reactions of chlorine with oxides, which are part of the mineral part of the carbonaceous rock, in the presence of a reducing agent, can be used to approximate the chlorination of aluminum-containing raw materials. Differences in the thermodynamic characteristics of the compounds that make up the carbonaceous rock, from a theoretical point of view, determine the fundamental possibility of selective chlorination of multicomponent raw materials. Ideally, a high degree of chlorination of aluminum oxide should be achieved with a minimum degree of chlorination of the accompanying oxides. The results of laboratory studies have fully confirmed the possibility of thermodynamic modeling of the chlorination process of multicomponent raw materials.

About the authors

T. N. Vetchinkina

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tvetchinkina@yandex.ru
Moscow

References

  1. Борисоглебский, Ю.В. Металлургия алюминия / Ю.В. Борисоглебский, Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – Новосибирск : Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. С.38–48. – (Borisoglebsky, Yu.V. Metallurgy of aluminum / Yu.V. Borisoglebsky, G.V. Galevsky, N.M. Kulagin, M.Ya. Mintsis, G.A. Sirazutdinov. –Novosibirsk : Nauka. Siberian Publishing Company of the Russian Academy of Sciences, 1999. P.38–48.)
  2. Щенков, В.В. Разработка новых технологических процессов получения алюминия / В.В. Щенков, С.Н. Литвак // Цв. металлургия : Бюл. НТИ. Цв. Информация. 1974. №9. С.38–41. – (Shchenkov, V.V. Development of new technological processes for obtaining aluminum / V.V. Shchenkov, S.N. Litvak // Non-ferrous metallurgy : Byul. NTI / Color Information. 1974 . №9. P.38–41.)
  3. Grjotheim, K. Aluminium smelter technolody / K. Grjotheim, B.J. Welch. – Dusseldorf : Aluminium–Verl. GmbH, 1980. 146 p.
  4. Безукладников, А.Б. Новые способы получения алюминия / А.Б. Безукладников, Ю.В. Останин, А.Н. Татаркин [и др.] // Научные исследования и опыт проектирования в металлургии легких металлов. – М. : Металлургия, 1981. С.101–106. – (Bezukladnikov, A.B. New methods of aluminum production / A.B. Bezukladnikov, Yu.V. Ostanin, A.N. Tatarkin [et al.] // Scientific research and design experience in the metallurgy of light metals. – Moscow : Metallurgiya, 1981. P.101–106.)
  5. Лайнер, Ю.А. Особенности хлорирования алюминийсодержащего сырья в кипящем слое / Ю.А. Лайнер, Т.Н. Ветчинкина, Б.А. Симановский // Химическая технология. 2006. №8. С.17–23. – (Liner, Yu.A. Features of chlorination of aluminum-containing raw materials in a fluidized bed / Yu.A. Liner, T.N. Vetchinkina, B.A. Simanovsky // Chemical Technology. 2006. №8. P.17–23.)
  6. Товбин, Ю.К. Основы химической термодинамики неоднородных систем / Ю.К. Товбин. – М. : Изд-во Техносфера, 2024. 460 с. – (Tovbin, Yu.K. Fundamentals of chemical thermodynamics of inhomogeneous systems / Yu.K. Tovbin. – Moscow : Publ. Technosphere, 2024. 460 p.)
  7. Roine, A. Outokumpu HSC chemistry for windows. Chemical reaction and equilibrium software with extensive thermochemical database / A. Ronie. – Pori : Outokumpu Research OY, 2002. 448 p.
  8. Москвитин, В.И. Металлургия легких металлов : учебник для вузов / В.И. Москвитин, И.В. Николаев, Б.А. Фомин. – М. : Интермет Инжиниринг, 2005. С.112–113. – (Moskvitin, V.I. Metallurgy of light metals : a textbook for universities / V.I. Moskvitin, I.V. Nikolaev, B.A. Fomin. – Moscow : Intermet Eng., 2005. P.112, 113.)
  9. Коршунов, Б.Г. Введение в хлорную металлургию редких элементов / Б.Г. Коршунов, С.Л. Стефанюк. – М. : Металлургия, 1970. С.76–86. – (Korshunov, B.G. Introduction to chlorine metallurgy of rare elements / B.G. Korshunov, S.L. Stefanyuk. – M. : Metallurgy, 1970. P.76–86.)
  10. Фурман, А.А. Неорганические хлориды / А.А. Фурман. – М. : Химия, 1980. 416 с. – (Furman, A.A. Inorganic chlorides / A.A. Furman. – M. : Khimiya, 1980. 416 p.)
  11. Фурман, А.А. Основы химии и технологии безводных хлоридов / А.А. Фурман, Б.Г. Рабовский. – М. : Химия, 1970. 256 с. – (Furman, A.A. Fundamentals of chemistry and technology of anhydrous chlorides / A.A. Furman, B.G. Rabovsky. – M. : Khimiya, 1970. 256 p.)
  12. Vetchinkina, T. Thermodynamic analysis of aluminum oxide chlorination / T. Vetchinkina // Inorg. Mater. : Appl. Res. 2024. V.15(2). P.260–265.
  13. Досмухамедов, Н.К. Выделение железа в железосодержащий продукт из золы от сжигания Экибастузских углей / Н.К. Досмухамедов, В.А Каплан, Е.Е. Жолдасбай, Г.С. Даруеш, А.А. Аргын // Уголь. 2021. №1. С.56–61. – (Dosmukhamedov, N.K. Isolation of iron into an iron-containing product from ashes from burning Ekibastuz coals / N.K. Dosmukhamedov, V.A. Kaplan, E.E.Zholdasbai, G.S. Daruesh, A.A. Argyn // Coal. 2021. №1. P.56–61.)
  14. Зимон, А.Д. Физическая химия: учеб. для вузов / А.Д. Зимон. – Изд. 3-е. – М. : Агар, 2006. С.94–96. – (Zimon, A.D. Physical chemistry: textbook for universities / A.D. Zimon. –3rd ed. – M. : Agar, 2006. P.94–96.)
  15. Леенсон, И.А. Как и почему происходят химические реакции. Элементы химической термодинамики и кинетики ; учеб. пособ. / И.А. Леенсон. – Долгопрудный : Издат. дом «Интеллект», 2020. 224 с. – (Leenson, I.A. How and why chemical reactions occur. Elements of chemical thermodynamics and kinetics ; textbook / I.A. Leenson. – Dolgoprudny : Publ. house «Intellect», 2020. 224 p.)
  16. Бондарев, Б.В. Курс общей физики. Кн.3. Термодинамика. Статистическая физика. Строение вещества: учеб. для вузов / Б.В. Бондарев, Н.П. Калашников, Г.Г. Спирин. – 2-е изд. — М. : Изд. Юрайт, 2016. 369 с. – (Bondarev, B.V. Course of general physics. Book 3. Thermodynamics. Statistical physics. The structure of matter: textbook for universities / B.V. Bondarev, N.P. Kalashnikov, G.G. Spirin. – 2nd ed. – Moscow : Yurayt Publ. House, 2016. 369 p.)
  17. Трусов, Б.Г. Программная система моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. / Б.Г. Трусов // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2012. Спец. вып. 2. С.240–249. – (Trusov, B.G. A software system for modeling phase and chemical equilibria at high temperatures / B.G. Trusov // Bull. Bauman Moscow State Tech. University. Ser. Instrument Eng. 2012. Special is.2. P.240–249.)
  18. Сеченов, П.А. Численный метод и математическая модель нахождения равновесного состава термодинамической системы программного комплекса T-Energy / П.А. Сеченов, И.А. Рыбенко // Вестн. Дагестанского гос. техн. ун-та. Техн. науки. 2022. №49(4). С.104–112. – (Sechenov, P.A. Numerical method and mathematical model for finding the equilibrium composition of the thermodynamic system of the T-Energy software package / P.A. Sechenov, I.A. Rybenko // Bull. of the Dagestan State Tech. University. Tech. Sci. 2022. №49(4). P.104–112).
  19. Досмухамедов, Н.К. Особенности поведения компонентов золы в условиях хлорирующего обжига / Н.К. Досмухамедов, Г.С. Даруеш, Е.Е. Жолдасбай // Межд. журн. прикл. и фундамент. исследований. 2020. №2. С.91–98. – (Dosmukhamedov, N.K. Features of the behavior of ash components in conditions of chlorinating roasting / N.K. Dosmukhamedov, G.S. Daruesh, E.E. Zholdasbai // Intern. J. Appl. Fundamental Res. 2020. №2. P.91–98.)
  20. Бричкин, В.Н. Современные тенденции в переработке низкокачественного алюминиевого сырья и их влияние на развитие минерально-сырьевой базы производства глинозема / В.Н. Бричкин, М.В. Черкасова // Горный информационно-аналитический бюл. 2015. №19. С.172–181. – (Brichkin, V.N. Modern trends in the processing of low-quality aluminum raw materials and their impact on the development of the mineral resource base for alumina production / V.N. Brichkin, M.V. Cherkasova // Mining Information and Analytical Bul. 2015. №19. P.172–181.)
  21. Маматов, Э.Д. Кинетика хлорирования глинозема / Э.Д. Маматов, Х.Э. Бобоев, У.М. Мирсаидов // ДАН РТ (Душанбе). 2001. Т.XLIV. №1–2. С.85–87. – (Mamatov, E.D. Kinetics of alumina chlorination / E.D. Mamatov, H.E. Boboev, U.M. Mirsaidov // Reports of the Academy of Sciences of the Republic of Tadjikistan (Dushanbe). 2001. V.XLIV. №1–2. P.85–87.)
  22. Ветчинкина, Т.Н. Фазовые превращения при термообработке гидроксидов и кристаллогидратов алюминия / Т.Н. Ветчинкина // Хим. технология. 2009. №6. С.342–349. – (Vetchinkina, T.N. Phase transformations during heat treatment of aluminum hydroxides and crystal hydrates / T.N. Vetchinkina // Chem. Tech. 2009. №6. P.342–349.)
  23. Ветчинкина, Т.Н. Рациональное использование отходов углеобогащения и угледобычи с применением хлорной технологии переработки / Т.Н. Ветчинкина, Ю.А. Лайнер // Сб. матер. VI ежегод. конф. «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии». – М. : МИСиС, 2008. С.175–180. – (Vetchinkina, T.N. Rational use of coal enrichment and coal mining waste using chlorine processing technology / T.N. Vetchinkina, Yu.A. Liner // Collection of materials of the VI annual conference «New trends in the rational use of secondary resources and environmental problems». – Moscow : MISIS. 2008. P.175–180.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences